绪论及第1章基本定义.ppt

金属切削原理及刀具,山东英才学院吕怡方,绪论,切削加工制造技术的一个组成部分生产指創建工业的目的，其结果是获得产品。产品的种类决定着工业的性质，如钢铁生产、石油生产、制造生产等。制造工业包括金属加工工业、机械和电器工程工业、化学工业、食品工业等。,制造工程指一种工程活动，其核心是它的生产功能，并与制造系统的设计与运转紧密联系。由于生产功能是制造系统的心脏，它决定了制造系统是否具有满足市场需求的能力，因此制造工程对于制造系统的设计和运转是十分重要的。,制造工程包括生产设计；生产工程和生产方法的设计、操作和控制；生产计划、进度和控制以及材料控制和质量控制等。因此制造工程包括工业工程和生产工程两个方面。此外，它与机械工程、电气工程、化学工程、材料工程、系统工程以及管理学之间存在着非常密切的关系。,生产工程是指一种工程活动，和制造工程相比，它的范围较窄，主要包括生产过程和方法的设计和运用。技术是建立在一系列科学基础上的综合体，其目的是通过对生产过程和方法的研究，发现规律，建立模型，探讨原理，为优化生产过程打下基础。,技术为创造和发展生产工程的理论基础提供了条件，其任务是充分利用科学基础和生产原理以克服经验主义的束缚，正如理论和实践之间那样，技术和生产工程之间的关系十分密切。制造技术在目前的发展阶段，包括各种学科，形成很多分支，为实际工程创造了理论基础，以下是它的主要分支：,1、切削加工和磨削加工2、物理、化学加工3、塑性成型加工4、铸造5、粉末冶金6、热处理7、涂层和镀层,8、测量和检验9、永久性联结（熔焊、电焊、钎焊、胶 接等）10、装配可以看出，切削加工和磨削加工是制造技术的一个重要组成部分。切削加工和磨削加工简称切削加工。,金属切削加工指用刀具或磨具，在金属工件表面切除多余的材料，从而获得在几何形状、尺寸精度、表面粗糙度以及表面层质量等方面均符合要求的加工方法。通常认为：金属切削加工是掉铁末子的加工。,切削加工和磨削加工简称切削加工。因为两者都掉铁末子。为了进行切削加工，刀具相对于工件要有一定的运动和切削深度，这些运动和动作的精度都很高，通常这些动作由机床来实现。,金属切削=切削金属金属切削原理研究的是金属切削过程中的基本规律、基本理论和基本方法。因此，金属切削原理是研究金属切削加工的一门技术科学。用一块称为刀具的材料切削另一块称为工件的材料。“切削”是总称，具体的切削有：车削、铣削、镗削、磨削、钻削、拉削、刨削等。,切削加工在制造技术中的地位事实上直到今天为止，机械产品的基本结构材料仍然是金属，它占全部材料消耗量的90%以上。传统的金属切削加工方法仍在使用，现代金属切削方法已悄然兴起。资料显示，美国每年用于“生产切屑”的费用达1000亿美元以上，中国已成为“世界制造基地”。,工件材料的平均强度和平均硬度在提高，新材料在不断研制。促进刀具材料的研究和发展。预计新型刀具材料会不断涌现。国防工业急需加强，现代化的武器装备其对金属切削加工的精度和表面粗糙度要求更高。高质量、高效率、低成本是金属切削加工永远追求的目标。,金属切削加工科学研究的内容和方向研究金属切削过程中各种物理现象及其本质。如摩擦、磨损、破损、变形、切削力、切削温度等。刀具是切削技术中最活跃的因素之一，因此必须研制和发展高性能的刀具材料。,近十几年来，数控机床、加工中心、柔性制造系统（FMS）得到非常广范的应用，计算机辅助设计与制造（CAD/CAM)已经是现代切削加工中最不可或缺的一环。与此相适应，应当从实践和理论两个方面展开关于金属切削加工的科学研究。,切削加工这门技术科学涉及的理论基础1、切削力学问题。与弹性力学塑性力学有关2、切削热学问题。热的产生、传导、温度3、材料力学问题。改善材料的切削加工性4、化学及物理化学问题。切削液及其润滑5、机械力学问题。工艺系统、刚性、震动6、经济问题。追求高质量、低成本。,学习要点,1、空间概念 2、基本规律3、读书一遍 4、做练习题,第一章 基本定义,进行认识和研究的共同语言。规则约定。金属切削过程是工件和刀具相互作用的过程。刀具要从工件上切去一部分金属，必须具备以下三个条件。1、工件与刀具之间要有相对运动，即切削运动。2、刀具材料必须有一定的切削性能。3、刀具必须具有适当的几何参数。,第一节 切削运动、工件表面和切削用量,以外圆车削为例见下图。,已加工表面、待加工表面和加工表面都在变化着。（过渡表面又称为加工表面）主运动旋转运动。主运动速度进给运动直线运动。进给运动速度主运动和进给运动的合成运动使切削得以连续进行。见下图。,合成向量显然，沿切削刃各点的合成速度向量并不相等。切削用量三要素1、主运动速度 m/min 或 m/s 2、每转进给量f 单位是：mm/r 工件每转一转，刀具在进给方向的移动距离。单位时间进给量 的单位mm/s 或 mm/min。3、背吃刀量=（D-d）/2 mmD待加工表面直径 d已加工表面直径,各种车削的运动、工件表面及切削用量三要素,课下作业：请分别画图表示出车端面、切外圆槽型、车内孔、车外螺纹、钻孔时的已加工表面，待加工表面和加工表面。,第二节 刀具几何参数,刀具的种类繁多，如何研究？,所有刀具参加切削的部分在几何特征上具有共性。可以将外圆车刀的切削部分看作是各类复杂刀具切削部分的基本形态，其他各类刀具则根据各自的工作要求，在这个基本形态上演变出各自的特点。所以我们将以外圆车刀切削部分为例，给出刀具几何参数方面的有关定义。一、刀具切削部分的表面与刀刃,车刀的切削部分,一个车刀的切削部分有一个刀尖，两条切削刃（刀刃），其中一条主切削刃，一条副切削刃。三个刀面，即前刀面、主后刀面和副后刀面。车刀切削部分的后端称为刀杆。前刀面（）切屑流经的表面。主后刀面（）和加工表面相对着的表面。副后刀面（）和已加工表面相对着的表面。主切削刃前刀面和主后刀面的交线。副切削刃前刀面与副后刀面的交线。刀尖主切削刃与副切削刃的交点。,车刀切削部分的后端称为刀杆。对于焊接式车刀，刀杆和刀片一般用铜料焊接在一起。转位刀使用机械夹固的方法将刀片和刀杆紧固在一起。而高速钢刀具一般是整体式的，刀杆是切削部分的储备，可补充切削部分。,二、刀具的坐标系,刀具要从工件上切去一部分金属，切除的容易还是困难，与刀具的几何形状有关，或者说与刀具的角度有关。事实上，刀具的切削角度是刀具在同工件和切削运动相联系的状态下确定的角度。因此刀具角度的坐标系与切削运动密切相关。刀具切削角度的坐标平面切削平面 通过切削刃某选定点，切与加工表面的平面。（包含合成速度向量 的平面）基面 通过切削刃某选定点，垂直于合成切削速度向量 的平面。,分析：1、切削平面与基面相互垂直。2、由于存在，所以切削平面是一个空间倾斜的平面。基面也是一个倾斜的平面。3、对于同一刀刃上不同点，可能有不同的切削平面和基面，因而同一条刀刃上各点的切削角度值应当分别定义。4、两个坐标平面都与合成向量建立了关联，其将来定义的切削角度，一定是有意义的。5、由于两个坐标平面都为空间倾斜平面，所以用它们定义的切削角度不太好想象。,刀具标注角度的坐标系（静止坐标系）刀具标注角度刀具工作图上所标注的角度称为刀具标注角度。几个假定条件：1、进给速度假定为零。2、假定安装条件（1）刀具的安装平面平行于基面。（2）刀尖安装高度与工件旋转中心等高。（3）刀杆的中心线垂直于工件的旋转中心线。3、假定选定点为刀尖一点。,在以上假定条件下的切削平面和基面，切削平面是一个铅垂面，基面是一个水平面。正交平面 过主刀刃上选定点，垂直于切削平面同时垂直于基面的平面。由 三个坐标平面组成的一个空间直角坐标系被称为刀具标注角度正交平面坐标系。刀具在正交平面坐标系中的标注角度见下图三、刀具的标注角度,1、主前角 前刀面与基面之间的夹角。在正交平面内测量。前角的最主要功用是减小变形。有正负之分。2、主后角 主后刀面与切削平面之间的夹角。在正交平面内测量。后角的最主要功用是减小摩擦。有正负之分，但负的主后角肯定无法切削。,3、刃倾角 主刀刃与基面之间的夹角。在切削平面内测量。刃倾角的最重要的功用是影响切屑流向及已加工表面质量。其实它是切削平面内的前角。有正负之分，正的刃倾角使切屑流向待加工表面，而负的刃倾角使切屑流向已加工表面。4、主偏角 主切削刃在基面的投影与进给方向之间的夹角。在基面内测量。主偏角的最主要的功用是影响刀具强度、切削力比值和已加工表面质量。,5、副偏角 副切削刃在基面的投影与进给方向之间的夹角。在基面内测量。副偏角的最主要的功能是影响已加工表面粗糙度。6、副后角 副后刀面与副切削平面之间的夹角。在副正交平面内测量。以上六个角度是正交平面参考系中独立的角度，是今后使用最多的角度。,刀具在正交平面坐标系中的派生角度,楔角 前刀面与主后刀面之间的夹角。在正交平面里测量。刀尖角 主切削刃与副切削刃在基面上的投影之间的夹角。在基面中测量。余偏角 主切削刃在基面的投影与进给方向的垂线之间的夹角。在基面中测量。,正交平面坐标系中的标注角度,法平面 过切削刃上选定点，垂直于主切削刃或其切线的平面。由 三个坐标平面组成的直角坐标系称为法平面坐标系。法平面坐标系中的刀具角度同样有五个，它们是：其中三个与正交平面坐标系的角度一样。两个不一样的是法向前角 前刀面与基面之间的夹角。在法平面内测量。,法向后角 主后刀面与切削平面之间的夹角。在法平面内测量。注意：法平面垂直于切削平面，但并不垂直于基面。当刃倾角 时，法平面和正交平面重合。,法平面坐标系、正交平面坐标系,进给平面 过切削刃上选定点，与基面垂直且平行于进给方向的平面。假定工作平面。切深平面 过切削刃上选定点，与基面垂直且垂直于进给方向的平面。背平面。切削平面、基面、进给平面可以组成进给平面坐标系。切削平面、基面、切深平面可以组成切深平面坐标系。,进给坐标系和切深坐标系见下图,进给前角 进给后角切深前角切深后角关于进给方向前角、后角、切深方向前角、后角在讨论刀具时将要用到。所有刀具标注角度见下图。,总结：正交平面、法平面、进给平面、切深平面都是剖面。他们分别各自和切削平面、基面都能组成独立的刀具角度坐标系。每个坐标系里都可以获得一组刀具标注角度，这些角度都能从一个侧面描述刀具的几何形状。刀具几何参数中刀具角度是重点，各角度的不同搭配构成一个刀具整体，其决定着刀具的使用性能。,四、刀具工作角度1,刀具的标注角度是在忽略进给运动的影响，且刀具按特定安装条件下给出的刀具角度。刀具的工作角度是指刀具在实际工作状态下的切削角度。通常称为刀具工作角度。切削中，刀具工作角度一定会受到进给运动的影响，也会受到刀具实际安装情况的影响，因此下面我们将分别就进给运动和刀具安装状态对刀具坐标系各坐标平面空间位置的影响及其最终对刀具切削角度的影响规律做以下分析。,（一）进给运动对刀具工作角度的影响,1、横向进给运动的影响（见图）,分析：进给运动使切削平面和基面的空间位置发生变化。刀具的前刀面与基面之间的夹角增大。刀具的后刀面与切削平面的夹角变小。,工作前角工作后角(effective)分析：上式表明，刀刃愈接近工件中心，d值愈小，值愈大。刀刃接近工件中心时，值急剧增大，工作后角将变为负值。横向每转进给量f不宜选择太大。刀具标注后角 可适当加大。,（二）纵向进给运动的影响,上图为车削外圆柱螺纹时，由于进给运动使得基面和切削平面发生变化。图中假定刃倾角=0时的情况。ff为进给平面，oo为正交平面。在进给平面中的刀具工作角度为：,利用三角形换算到正交平面中得：所以正交平面的工作角度为：刀左刃刀右刃,分析：刀具工作角度与进给量f 和工件直径d有关，当进给量愈大，工件直径愈小时，角度变化量愈大。实际上，一般车外圆时，工作角度可以不必计算。但是，在车螺旋升角比较大的螺纹时，由于刀具左右侧刀刃的工作角度差别很大，所以必须进行工作角度的计算。,（三）刀具安装位置对工作角度的影响,上图为当刀尖的安装高度高于工件的旋转中心时引起刀具工作角度变化的情况。图中pp为切深平面，oo为正交平面。此时的切削平面和基面都发生了倾斜，引起刀具工作前角增大，工作后角减小。在切深平面里的角度变化量为其计算公式为：,换算到正交平面中角度变化值为 则：相应的正交平面内工作角度计算公式为：当刀尖安装低于工件旋转中心时h取负值。,刀柄中心线与进给方向不垂直时只会影响主偏角和副偏角,上图的计算公式为：,刀具工作角度结论,1、当把刀具的标注角度坐标系的假设条件取消时，刀具的静止坐标系就转化成为了刀具工作角度坐标系。2、刀具的工作角度实际上是刀具真正起作用的切削角度。3、刀具的工作角度必须根据具体的切削条件来计算。,第三节 刀具角度的换算2,在不同坐标系中的刀具标注角度，由于设计和制造的需要，相互之间经常进行必要的换算。刀具角度换算的方法很多，常用的有：解析计算法图解法向量矩阵法这里主要介绍解析计算法。（一）正交平面与法平面内的角度换算,图中：即（二）正交平面与任意平面的角度换算,图中AGBE为基面；AHCF为前刀面；A为选定点；AEF为正交平面；AGH为切削平面；ABC 为任意平面；为切削平面与任意平面之间的夹角由图可知：,当 时当 时当 时当 时,同理可得任意平面内的后角计算公式：利用微商求极值可得同理可得最小后角,第四节 切削层和切削方式,单刃刀具的刀刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层，称为切削层。切削层参数就是指的这个这个切削层的截面尺寸。它决定着刀具切削部分所承受的负荷和切屑的尺寸大小。现以外圆车削为例来说明切削层参数的定义。见下图在不考虑进给运动影响的基面里观察和度量。一、切削层参数,1、切削厚度（国标为）基面中度量的，垂直于加工表面的切削层尺寸。2、切削宽度（国标为）3、切削面积(国标为）,分析：对于曲线刀刃，切削层各点的切削厚度是互不相等的。注意，当进给量 f 和切削深度 一定时，主偏角 越大，切削厚度 增大，切削宽度 减小。切削厚度 有重要的物理意义，它代表着刀刃单位长度上的负荷量，对切削层的变形、切削力、刀具麼损和表面质量有着明显的影响。4、残留面积,以上所计算的切削层尺寸均为名义尺寸，均忽略了残留面积。而残留面积正是影响工件表面粗糙度的重要因素。关于残留面积的计算和讨论我们将放在零件表面质量里来具体给出。5、正切屑和倒切屑的概念当 时切下来的切屑称为正切屑。当 时切下来的切屑称为倒切屑。,a、正切屑 b、对等屑 c、倒切屑,二、切削方式,1、自由切削与非自由切削只有一条直线刀刃参加切削工作，这种情况称之为自由切削。其主要特征是刀刃上各点切屑流出方向大致相同。被切金属的变形基本上发生在二维平面内。例如宽刃刨削。若刀具的刀刃为曲线，或有几条刀刃都同时参加切削，则称之为非自由切削。其主要特征是各刀刃交接处切下的金属互相影响和干扰，金属变性更为复杂，且发生在三维空间内。例如外圆车削。,上图都为自由切削。2、直角切削与斜角切削主刀刃的刃倾角 时的切削称之为直角切削，直角切削又称为正交切削。主刀刃的刃倾角 时的切削称之为斜角切削。上图a为直角自由切削，其切屑流出的方向是沿刀刃的法向。上图b为斜角自由切削，其切屑流出的方向一定会偏离刀刃的法向。,课下习题,1、试画图表示出外圆车削的切削用量三要素，并表示出车刀的2、为什么要建立刀具角度坐标系？刀具角度坐标系有静止坐标系和工作坐标系两种吗？它们之间有什么差别？3、刀具的标注角度与工作角度有何区别？如何根据刀具工作角度来确定刀具标注角度。,1、画图，边画边讲解。2、答：因为刀具的几何形状、几何角度和几何参数影响刀具的使用性能，要寻找刀具的最佳几何形状、几何角度以追求最佳切削效果就必须为刀具定义一套大家能够公认的能够反映刀具几何形状和角度的并且与切削性能紧密相关的刀具角度坐标系。,刀具角度坐标系有静止坐标系和工作坐标系两种，它们之间的差别是：静止坐标系是在几个假定条件下的坐标系，其假定条件为：1、进给速度假定为零。2、假定安装条件（1）刀具的安装平面平行于基面。（2）刀尖安装高度与工件旋转中心等高。（3）刀杆的中心线垂直于工件的旋转中心线。3、假定选定点为刀尖一点。,工作坐标系是取消假定条件下即实际切削条件下的坐标系。因此，可以说静系永远不变，动系各不相同。3、答：刀具的标注角度永远不变。由于实际切削的具体情况各不相同，所以要根据具体的切削条件来计算出进给速度等条件对刀具角度的影响大小，最终计算出刀具的工作角度。,自动换刀装置（1）回转刀架,数控机床的组成,（3）刀库自动换刀,数控机床的组成,DMG采用直线电机的卧式加工中心（120米/分）,数控技术的发展趋势,进给速度达240米/分的NSK滚珠丝杆和滚动导轨,数控技术的发展趋势,DMG的车铣复合数控机床,数控技术的发展趋势,